R32涡旋压缩机两相喷射制冷系统的设计与控制

杨明洪　王宝龙　石文星　李先庭（清华大学建筑学院建筑技术科学系　北京　100084）

R32涡旋压缩机两相喷射制冷系统的设计与控制

杨明洪王宝龙石文星李先庭
（清华大学建筑学院建筑技术科学系北京100084）

R32涡旋压缩机存在排气温度过高的问题，利用两相制冷剂喷射可降低排气温度同时提升性能。基于经济器系统，提出了R32涡旋压缩机的两相喷射制冷系统，利用模拟仿真对其设计和控制方法进行了研究。从压缩机的角度，分析了喷射口等效直径对两相喷射压缩机性能的影响，并指出了两相喷射时喷射压力和喷射干度的优化方向。通过对两相喷射系统的模拟分析，在系统层面上对中间换热器的换热能力进行了优化配置和对中间喷射压力进行了优化控制，并提出根据排气温度来确定最优中间压力的方法，即将排气温度控制为135℃对应的中间压力为最优中间压力。经过优化后的两相喷射系统，不仅解决了排气温度过高的问题，而且能够提升制冷量7.1％～11.4％，提升COP 2.6％～6.2％。

两相喷射；R32；涡旋压缩机；中间压力；喷射干度

随着HCFCs制冷剂淘汰进程的加速，寻找和发展其替代制冷剂成为了当前制冷空调行业的重要任务［1］。制冷剂 R32虽然具有轻微的可燃性（A2L类），但是GWP值适中（675）、ODP为0，而且具有工作压力与R410A相近、充注量小、热工性能良好和价格便宜等优点［2］。此外，从全生命周期气候性能评价的角度来看，R32的当量碳排放量甚至低于GWP接近1的制冷剂R1234yf和R290［3］。因而，在制冷空调和热泵领域，R32已经被视为一种重要的中长期潜在替代制冷剂。

然而，R32系统的压缩机排气温度比R410A系统通常高出10～20℃［4］。排气温度过高会加速压缩机中润滑油的裂化，降低系统的可靠性。在压缩比较高的工况下，如较高环境温度下制冷和较低环境温度下制热，由于排气温度过高，压缩机无法正常工作，由此导致R32压缩机的运行范围较R410A压缩机显著缩小。降低R32压缩机的排气温度同时提高R32系统在较高压缩比工况下的性能，对于推广和促进R32制冷剂的应用具有重要意义。

除去两相吸气技术［5］外，向压缩机的压缩中段喷入冷却介质，包括润滑油、水（空压机）和制冷剂（制冷压缩机）等，是解决大型压缩机排气温度过高的常用技术手段［6-7］。补气和喷液技术是近些年在涡旋压缩机中得以较快发展的性能调节技术手段。补气和喷液分别指将气体或液体制冷剂喷入压缩机中间压缩腔的技术。大量的研究已经表明，补气能够显著提高系统在恶劣工况下的容量和COP，同时能够一定程度降低排气温度，但降低效果有限［8-9］。液体制冷剂的比焓较低，因此喷液能够为压缩机提供更好的冷却效果，从而显著降低排气温度［10-11］，但喷液对系统性能的影响很小［12］。

两相制冷剂喷射能够兼有补气和喷液的优点，在有效降低排气温度的同时提升系统在恶劣工况下的性能。Park Y C等［13］通过实验对比研究了采用两相喷射和无喷射的R22压缩机性能，结果表明喷射干度为0.9的两相喷射能够将压缩机排气温度降低10～20℃，同时提升COP达到5％～13％。Lee H等［14］从理论上分析了通过多级两相喷射实现气态制冷剂沿饱和线压缩循环的特性，结果表明单级两相喷射可以使得系统的制冷COP提升10.56％～15.42％，而三级两相喷射则可以将制冷 COP提升15.36％～22.42％，而且压缩比越大的工况性能提升越多。Wang B L等［15］通过模拟分析了喷射比焓对压缩机性能的影响，结果表明喷射比焓的降低有助于降低压缩机的排气温度和功耗。Wang B L等［16］还对比研究了两相吸气、喷液和两相喷射对提升R32涡旋压缩机运行范围的影响，结果表明，相较于两相吸气和喷液，两相喷射除了能够有效提升压缩机运行范围外，同时能明显提升系统的制冷量和COP。

基于此，本文研究R32涡旋压缩机两相制冷剂喷射系统的实现方法，并基于各项参数对性能的影响，提出压缩机和系统的优化设计和运行控制方法。

1　研究方法

1.1两相喷射系统

本研究提出的两相制冷剂喷射循环示意图如图1所示。该喷射系统与换热式经济器系统相似，在传统制冷系统的基础上增加了一个中间换热器作为经济器。冷凝器出口的部分液体通过经济器膨胀阀节流后，在中间换热器与主回路制冷剂换热，然后通过喷射进入压缩机中间压缩腔。

但该系统经济器膨胀阀的控制与经济器系统则有所不同：对于中低压缩比的工况，排气温度相对较低，运行普通补气模式，可以根据喷射制冷剂过热度来调节经济器膨胀阀来控制中间压力，即采用气体喷射提高系统性能；对于高压缩比的工况，排气温度超出安全值，以排气温度为控制目标，采用两相喷射降低排气温度。

图1　两相制冷剂喷射循环示意图Fig.1 Schematics of two-phase refrigerant cycle

1.2两相喷射压缩机动态仿真模型

为研究两相制冷剂喷射对涡旋压缩机内部参数的影响，必须建立可应用于两相喷射的动态分布参数涡旋压缩机模型。本文采用笔者建立且经过验证的数学模型［16-17］，该模型包含了从吸气、压缩到排气的全过程，同时考虑了压缩机内部传热和内部泄漏的影响。模型示意图如图2所示，模型能够较高精度地模拟R32涡旋压缩机的性能，其中制冷量的误差在5％以内，功耗的误差在7％以内。

1.3两相喷射系统稳态仿真算法

由于压缩机动态特性的时间常数比制冷系统动态响应的时间常数要低2～3个数量级，在压缩机的一个工作周期内，其质量和能量的动态特性不能在系统中得以反映。因此，两相喷射系统的仿真可采用稳态模型。对于动态压缩机模型，将输出的动态参数时均化之后，便可与两相喷射系统模型对接。两相喷射系统的稳态仿真算法流程图如图3所示。

图2　动态分布参数涡旋压缩机模型示意图Fig.2 Schematic of dynamic distributed parametermodel of scroll compressor

1.4评价指标

为描述制冷剂喷射量minj和中间压力pint等控制指标对R32制冷系统性能的影响，以及系统采用两相喷射后的性能（制冷量和COP）相对于未采用喷射时的性能差异，特给出如表1所示定义。

1.5模拟对象

在本研究中，采用图1所示的两相制冷剂喷射系统的系统形式，其压缩机为低压腔涡旋压缩机，其主要参数如表2所示。

图3　两相喷射系统稳态仿真算法示意图Fig.3 Flow chart of two-phase injection system simulation

表1　评价指标的定义Tab.1 Definitions of evaluating parameters

两相喷射系统的模拟中，冷凝器和蒸发器的大小用换热面积与换热系数之积UA值来表征，分别为2.4 kW/℃和2.0 kW/℃。冷凝器侧采用空气冷却，其质量流量为2.8 kg/s；蒸发器侧的载冷剂为30％体积浓度的乙二醇溶液，其质量流量为1.1 kg/s。在系统模拟中，认为冷凝器出口过冷度保持在3℃，蒸发器出口过热度保持在5℃。模拟分析的三个系统工况是，冷凝器入口空气温度为40℃，蒸发器入口的载冷剂温度分别为5℃、0℃和-5℃的工况。

2　各项参数对两相喷射压缩机的影响

两相喷射压缩机喷射参数的设计是两相喷射系统的设计关键。从压缩机的角度来看，喷射口的大小和喷射压力影响着喷入的制冷剂的流量，而喷入的制冷剂干度代表了喷入制冷剂的状态。研究两相喷射时喷射口大小、喷射压力和喷射干度对压缩机性能的影响，有利于指导两相喷射系统的设计和控制。

表2　压缩机主要参数Tab.2 Key parameters of the scroll compressor

2.1喷射孔直径

在喷射系统中，喷射孔的位置和直径对系统的性能都有直接影响。前期的研究已经表明，喷射口的最佳位置位于压缩腔开始处［15］。本研究中，在喷射口位于最佳位置的前提下，研究喷射口大小对两相喷射系统性能的影响。

图4　喷射孔当量直径对压缩机性能的影响（β=1.0，xinj=0.7）Fig.4 Effects of equivalent diameter of injection port on compressor performance

图4所示为冷凝温度为55℃、蒸发温度分别为-5℃/-10℃/-15℃的三个工况下，保持相对喷射压力为1.0、喷射干度为0.7时，系统的压缩机排气温度、喷射比、相对制冷量和相对COP随喷射孔当量直径的变化。可以看出，喷射比随着喷射孔当量直径的增加而增加，即喷射进入压缩腔的两相制冷剂流量增加。喷射的制冷剂在中间换热器的换热可以增大蒸发器进出口焓差，从而提高制冷量。喷入压缩腔内的两相喷射冷剂能够迅速降低腔内制冷剂的温度，从而有效降低排气温度。当喷射孔当量直径小于6 mm时，随着当量直径的增大，喷射比快速增加，同时排气温度快速下降且制冷量和COP明显提高。当喷射孔当量直径大于6 mm时，随着当量直径的增大，喷射比的增加明显趋缓，在进一步降低排气温度和提升性能方面的效果有限。从排气温度来看，喷射孔当量直径大于等于6 mm时，喷射干度为0.7可以满足三个蒸发温度工况下的排气温度都低于135℃。

对于喷液型压缩机，为避免过量液体意外进入压缩腔并保持较高的压缩机效率，喷射孔一般设置较小，与本研究压缩机相近容量的喷液压缩机喷液孔直径一般不超过3 mm；对于补气压缩机，为了减少流动阻力和增加喷射量，喷射孔应尽量大［15］。通过前述分析可知，两相喷射压缩机的喷射孔也应尽量大，喷液型压缩机喷射孔的大小不能满足两相喷射型压缩机的要求，会造成性能大大降低。但为了避免两相喷射时过多液体制冷剂意外进入压缩腔，同时考虑到喷射孔的大小受到涡旋体壁厚的限制，喷射孔径存在合理取值范围。

对于本例采用的压缩机，喷射孔当量直径为6 mm时，此时蒸发温度为-5℃、-10℃和-15℃的三个工况排气温度均低于135℃，且系统COP提升分别达到6.9％、10.4％和14.4％，可以将优化后的喷射孔直径定为6 mm。

2.2喷射压力和喷射干度

图5所示为蒸发、冷凝温度和分别为-10℃和55℃的工况下，喷射压力和干度对压缩机排气温度、喷射比、相对制冷量和相对COP的影响。由于系统中主路和喷射支路的换热能力存在极限值（此时经济器出口主回路制冷剂温度已趋近喷射回路制冷剂饱和温度），图中右上角喷射压力和干度都较大区域，无法在系统中实现。由此可以看出，随着喷射压力的升高和喷射干度的降低，压缩机的排气温度下降且喷射比上升。喷射压力的上升导致喷射制冷剂流量增加，而喷射干度的降低意味着喷入的液体制冷剂流量增加，两者均有利于压缩腔内制冷剂的冷却。但需要注意的是，制冷量受喷射压力的影响较大，受喷射干度的影响很小，这一点较难理解。其实制冷量的上升主要是由中间换热器中主路和支路的换热造成的，换热量的大小反映在气体制冷剂的流量上，与液体制冷剂流量关系很小。当喷射压力一定时，虽然喷射液体和气体制冷剂的质量流量比相差不大，但气体和液体数百倍的密度差导致气体的体积流量要比液体的体积流量大很多，由此导致喷射压降主要由气体制冷剂消耗。因此在相同喷射压力而不同喷射干度时，喷射回路的气体制冷剂流量相差不大而液体制冷剂显著不同，由此导致制冷量相差不大而冷却效果（排气温度）相差显著。此外，在喷射压力大且喷射干度低的区域，喷入压缩腔的液体制冷剂较多，导致压缩腔内制冷剂温度和涡旋壁温度下降明显，能够在一定程度上降低压缩腔内制冷剂的泄漏量，从而略微提升制冷量。喷射压力上升有利于提升系统制冷量，而喷射干度下降有利于降低压缩机的压缩功，因而喷射系统COP朝着喷射压力增大且喷射干度降低的方向增加。

图5　喷射压力和干度对压缩机性能的影响（Te=-10℃，Tc=55℃）Fig.5 Effects of injection pressure and refrigerant quality on compressor performance

从压缩机的角度来看，在冷凝温度和蒸发温度一定的情况下，两相喷射系统的控制优化应该朝着喷射压力高且喷射干度低的方向。但从系统层面来看，高喷射压力、低喷射干度的工况下喷射比非常大，压缩机排气流量大大增加，从而导致系统的冷凝温度升高，实际性能可能降低。实际在系统层次上，压缩机中多喷入的液体制冷剂对系统COP的提升非常有限，甚至会造成一定程度下降［19］。此外，过量的液体制冷剂进入压缩腔内，还会造成润滑油泡沫化和增大液击风险，降低了压缩机的可靠性。因此，实际系统的设计和控制应该朝着喷射压力和喷射干度都尽量高的方向。在该工况下，为了使得排气温度不超过135℃，喷射压力和干度应该控制在图5中所示的排气温度为135℃的等高线以内的右下角范围。结合喷射干度尽量高且系统COP最优的原则，两相喷射压缩机的理想喷射点应为排气温度135℃等高线和由中间换热能力极限造成的喷射区域边界线的交点，如图5（d）中所示。

3　各项参数对两相喷射系统性能的影响

在两相喷射系统中，喷射压力为系统的中间压力，而喷射干度受中间换热器的大小和中间压力的高低共同影响，两个参数的控制并非独立的，而是耦合的。对于不同的工况点，其理想喷射点是不同的。为了使得两相喷射系统的性能尽可能优化，不同工况点下两相喷射系统的实际喷射点都应尽可能趋近其理想喷射点，而其关键便在于中间换热器换热能力的配置和中间压力的控制。

图6　中间换热器换热能力对系统性能的影响（β=1.0，Dinj=6 mm）Fig.6 Effects of heat transfer capability of internal heat exchanger on system performance

3.1中间换热器换热能力

中间换热器的换热能力可以用综合换热系数与换热面积之积UA来表征。换热能力优化的目的是使得系统在某一确定的换热能力下，不同工况的喷射点都尽量接近于其理想喷射点。许多前人的实验研究成果［18，20］已经表明，喷射系统的最优相对中间压力在1.0附近。本节在此基础上，开展对中间换热器换热能力的优化配置研究。

图6所示为在蒸发器入口载冷剂温度分别为5℃、0℃和-5℃的三个工况下，系统性能随中间换热器换热能力的变化。可以看出，随着中间换热器换热能力的增强，喷射制冷剂干度上升，喷射比下降，排气温度上升。换热能力超过0.3 kW/℃后，喷射制冷剂在中间换热器中经过充分换热后已经完全汽化为气体，排气温度的控制非常有限。对于系统的蒸发、冷凝温度，随着中间换热器换热能力的增强，蒸发器入口焓值降低，因此蒸发温度略微下降；系统的冷凝温度则受喷射比的影响较大，喷射比越大，排气流量也越大，冷凝温度则越高。从系统的性能来看，中间换热器换热能力的增强有利于制冷量和COP的提高，但换热能力超过0.15 kW/℃后，由于换热器的换热端温差已经非常小，制冷量和COP趋近于一个稳定值。

从压缩机的排气温度来看，为使三个蒸发温度的工况下排气温度都低于135℃，中间换热器的换热能力UA应不超过0.2 kW/℃。因此，合理的换热器面积应介于0.15～0.2 kW/℃。中间换热器UA为0.2 kW/℃时，喷射的制冷剂干度约为0.7，喷射比约为30％，同时系统的性能也处于较高的水平，因此可将该系统优化后的中间换热器换热能力定为0.2 kW/℃。

图7　相对中间压力换热能力对系统性能的影响（UA=0.2 kW/℃，Dinj=6 mm）Fig.7 Effects of relative intermediate pressure on system performance

3.2中间压力

中间压力是两相喷射系统中最重要的控制参数。本节在优化的中间换热器换热能力的基础上，研究中间压力对两相制冷剂喷射系统性能的影响。在中间压力的控制优化中，应当在满足排气温度低于135℃的前提下，尽量提升系统的能效。

图7所示为在蒸发器入口载冷剂温度分别为5℃、0℃和-5℃的三个工况下，系统性能随相对中间压力的变化。图中可以看出，随着相对中间压力的上升，喷射干度下降而喷射比上升，这两者都强化了对压缩腔的冷却，因此压缩机的排气温度降低。但是，当相对中间压力低于0.96时，喷射制冷剂流量较小，经过中间换热器换热后已经完全汽化成气体制冷剂，因此对排气温度的降低效果很有限。相对中间压力对蒸发温度的影响非常小，但对冷凝温度影响比较明显。在相对中间压力高于0.96后，喷射比的上升比较明显，造成冷凝温度上升了1～3℃。

从系统的性能来看，制冷量随着喷射压力的升高先增加而后趋于平缓。压缩机功耗受冷凝温度的影响，导致系统COP的变化随工况而异。载冷剂入口温度为5℃和0℃的工况，随着中间压力的上升，冷凝温度明显升高，而此时制冷量略微增加或者下降，因此系统COP下降。对于载冷剂入口温度为-5℃的工况，压缩机功耗上升幅度较制冷量增加幅度小，因此导致COP略微增加。此外，三种工况下，喷射对压缩机效率影响不同也是导致COP差异的一个主要原因。该R32涡旋压缩机的内压缩比为4.61，载冷剂入口温度为5℃、0℃和-5℃的三个工况对应的外压缩比分别约为4.96、5.45和6.07，压缩比越大，其欠压缩损失越大，喷入更多的制冷剂有助于减小欠压缩损失。

为了使得排气温度低于135℃，在载冷剂入口温度分别为5℃、0℃和-5℃的三个工况下，其相对中间压力应分别不低于0.97、0.99和1.00。以系统COP最优为目标，前两个工况的COP随着喷射压力上升而降低，最优相对中间压力可分别取0.97和0.99，即将排气温度控制为135℃对应的压力；对于载冷剂入口温度为-5℃的工况，提升中间压力有助于减小欠压缩损失，但其对COP的提升非常有限，最优相对中间压力也可以取对应排气温度为135℃的1.00，该结果与前述两相喷射压缩机理想喷射点的分析也是相符的。基于此，最优中间压力可以根据排气温度来确定，即将排气温度控制为135℃对应的中间压力为最优中间压力。

经过中间换热器大小和中间压力的优化后，在载冷剂入口温度分别为5℃、0℃和-5℃的三个工况下，两相制冷剂喷射系统不仅解决了无喷射系统排气温度过高的问题，而且三个工况制冷量的提升分别达到7.1％、9.3％和11.4％，而系统COP的提升则分别达到2.6％、3.8％和6.2％。

4　总结

R32系统中存在压缩机排气温度过高的问题，利用两相制冷剂喷射能降低排气温度同时提升系统性能。本文研究了R32涡旋压缩机两相制冷剂喷射系统的实现方法，并基于各项参数对性能的影响，提出压缩机和系统的优化设计和运行控制方法。研究结论如下：

1）喷射孔当量直径过小会对两相制冷剂喷射系统性能有较大限制，喷液型压缩机喷射孔的大小不能满足两相喷射型压缩机的要求。本文采用的压缩机优化后的喷射孔当量直径为6 mm。

2）从压缩机的角度来看，高喷射压力、低喷射干度有利于提升制冷量，但从系统层面来看，低喷射干度会造成冷凝温度上升，并且降低了压缩机的可靠性。因此两相喷射系统应该朝着高喷射压力且高喷射干度的方向进行，其理想喷射点应为排气温度135℃等高线和由中间换热能力极限造成的喷射区域边界线的交点。

3）与经济器系统中间换热器面积应越大越好不同，两相制冷剂喷射系统存在换热器面积合理范围。本研究中中间换热器的最优UA值为0.2 kW/℃。

4）优化设计的两相制冷剂喷射系统，将排气温度控制为最高限值（135℃）的中间压力即为能效最优中间压力。

5）采用经过优化的两相喷射系统，不仅可有效控制R32涡旋压缩机排气温度，而且能够提升制冷量7.1％～11.4％，提升COP 2.6％～6.2％。

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About the corresponding author

Wang Baolong，male，Ph.D.，associate professor，Department of Building Science，Tsinghua University，+86 10-62786571，E-mail：wangbl@tsinghua.edu.cn.Research fields：air conditioners and heat pump systems with high seasonal energy efficiency，numerical simulation of air conditioner，refrigeration and heat pump equipment oriented to performance optimization，optimal design and control of the thermal storage system used in HVAC.

Design and Control of R32 Two-phase Refrigerant Injection System Utilizing Scroll Compressor

Yang Minghong Wang Baolong Shi Wenxing Li Xianting
（Department of Building and Science，Tsinghua University，Beijing，100084，China）

To overcome the disadvantage of high discharge temperature in R32 compressor，two-phase refrigerant injection was proposed to decrease discharge temperature as well as improve system performance in severe conditions，and an improved injection system with economizer was proposed to realize two-phase injection.Based on the validated dynamic distributed parameter model of R32 scroll compressor，the optimization of heat transfer capability of internal heat exchanger and intermediate pressure according to system performance and discharge temperature were discussed.Through the optimized design and control of the two-phase injection system，the cooling capacity was enhanced by 7.1％-11.4％and COP was improved by 2.6％-6.2％.

two-phase injection；R32；scroll compressor；intermediate pressure；injection quality

TB652；TB61+2

A

0253-4339（2015）05-0001-09

10.3969/j.issn.0253-4339.2015.05.001

国家自然科学基金（51006059）和国家杰出青年基金（51125030）资助项目。（The project was supported by the National Natural Science Foundation of China（No.51006059）and the National Science Foundation for Distinguished Young Scholar of China（No.51125030）.）

2015年12月23日

简介

王宝龙，男，博士，副教授，清华大学建筑学院建筑技术科学系，（010）62786571，E-mail：wangbl@tsinghua.edu.cn。研究方向：高季节能效的空调热泵技术研究，性能优化的空调制冷热泵装置模拟，空调用冰、水蓄能系统的优化设计与控制。